最先进的基于激光的多金属材料增材制造

与一般的增材制造(AM)方法相比，多材料增材制造(MMAM)可实现更高水平的设计自由度，例如整合材料、结构和功能以实现可定制的功能(例如，局部耐磨性、高导热性、热绝缘、耐化学腐蚀等)。然而，金属材料的MMAM是最近的一项研究活动，仍处于萌芽阶段。值得注意的是，到目前为止，还没有关于金属MMAM的全面审查，涵盖宏观制造到微观制造。

《国际极限制造杂志》上的一项研究总结了基于激光的多材料增材制造(MMAM)技术的最新进展，包括激光粉末床融合(LPBF)、基于激光的定向能量沉积(L-DED)和激光-诱导前向转移(LIFT)，用于多种金属材料的宏观和微观制造。

由于不同粉末材料沉积机制的各种新发明，使用LPBF方法和L-DED方法生产大型多材料零件已成为现实。这些技术的潜在应用是制造广泛用于航空航天、海洋、核电和医疗行业的功能集成组件。

对于多个金属物体的微增材制造，目前主要采用固体LIFT和流体LIFT技术，因为它们的材料转移机制，将金属液滴从一个供体板喷射到建筑基材上，非常适合将不同材料打印在一起。在材料沉积过程中，供体与打印对象之间没有接触，因此避免了异种原材料交叉污染问题。微尺度金属增材制造技术的潜在应用包括：3D微尺度金属结构、储能元件、电子元件、生物分子、生化传感器和细胞，甚至直接将功能器件转移到其他部件的表面。

基于激光的MMAM技术仍处于早期阶段，因此许多科学和技术挑战正在等待解决。曼彻斯特大学李林教授领导的研究团队报告了该领域的最新进展，并指出了紧迫的挑战和相关的高价值未来研究课题。

由于不同的材料分配挑战(即如何在空间空间中的所需区域沉积正确的材料)，MMAM技术的设备可能与标准的单材料AM工艺有很大不同。这项工作总结了材料输送方法、异种材料的连接、加工参数和打印的MMAM组件的性能。介绍了每种MMAM方法的材料输送方法，并比较了它们的优点。介绍了三种典型的异种材料连接方法。MMAM打印的功能梯度材料(FGM)的材料成分在不断变化。因此，每种材料成分的优化激光参数对于实现良好的打印质量至关重要。

激光参数对MMAM打印微观结构的影响也可能与传统的AM技术显着不同，例如相变、金属间化合物的形成和最终的机械性能。目前商用的3D设计软件、相变预测软件和仿真建模软件通常是针对单材料加工而设计的，缺乏多材料加工所需的热力学数据库。

以上所有问题都是将MMAM技术从实验室研究推向实际工业应用需要填补的知识空白。魏超教授解释说：“我们需要根据最终部件的要求来选择合适的工艺。在此之前，了解现有方法对于用户选择制造方法非常重要。”

MMAM作为一个新兴领域，具有显着优势，通过组合不同的材料赋予一个组件不同的特性，这为AM组件提供了一个新的自由度。在潜在领域中，魏教授表示，“基于激光的MMAM在生物医学领域的金属功能3D结构、储能组件和打印组织器官等方面具有巨大潜力。”

主要研究人员之一李林教授评论说：“与传统的制造方法相比，基于激光的MMAM技术在简化制造过程、增加设计自由度、减少原型制造的时间和成本方面具有明显的优势。我们的工作只开放“打开这个新的研究天堂的大门。我们希望更多的研究人员能够进入这个领域，共同推动MMAM技术的发展。”

未来的MMAM研究显然是多学科的，涉及机械工程、制造工程、材料科学、电子学、光子学、生物学等学科。集成复杂的混合制造系统，建立MMAM设计和制造的新规律，高通量优化工艺参数，基于人工智能的质量监控和评估打印部件的长期可靠性需要进一步研究。但我们相信，在实际产业应用需求的指导下，通过学术界的协同研究，这些问题最终会得到解决。

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